Capítulo 5 Embriogênese Somática · 2021. 6. 4. · Capítulo 5 Embriogênese Somática Dr....
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Capítulo 5
Embriogênese Somática
Dr. André Luis Wendt dos Santos1
Msc. Renata Barros Ribeiro2
Dr. Vanildo Silveira3
Dra. Claudete Santa-Catarina4
Dra. Neusa Steiner5
Dr. Miguel Pedro Guerra6
Dr. Eny Iochevet Segal Floh7
1- Universidade Nilton Lins, Laboratório de Biotecnologia Vegetal. Av. Prof. Nilton
Lins, 3259 – Parque das Laranjeiras, CEP 69058-040, Manaus-AM.
2- Universidade Nilton Lins, Laboratório de Biotecnologia Vegetal. Av. Prof. Nilton
Lins, 3259 – Parque das Laranjeiras, CEP 69058-040, Manaus-AM.
3- Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, Centro de Biociências e
Biotecnologia, Laboratório de Biotecnologia (LBT) – Av. Alberto Lamego 2000,
Parque Califórnia – CEP 28013-602 – Campos dos Goyatacazes, Rj.
4- Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, Centro de Biociências e
Biotecnologia, Laboratório de Biotecnologia (LBT) – Av. Alberto Lamego 2000,
Parque Califórnia – CEP 28013-602 – Campos dos Goyatacazes, Rj.
5- Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Departamento
de Fitotecnia, Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e Genética Vegetal – Rod.
Admar Gonzaga, km 3, Itacorubi, CEP 88034-001, Florianopolis-SC.
6- Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Departamento
de Fitotecnia, Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e Genética Vegetal – Rod.
Admar Gonzaga, km 3, Itacorubi, CEP 88034-001, Florianopolis-SC.
7- Universidade de São Paulo, Instituto de Biociências, Departamento de Botânica,
Laboratório de Biologia Celular de Plantas, Rua do Matão, 227 – Cidade Universitária,
CEP 05422-970, São Paulo, SP.
Introdução
Os recursos florestais envolvendo espécies arbóreas nativas têm sido amplamente
explorados, ao longo do tempo, de maneira extrativista. Poucos foram os plantios de
reposição realizados com espécies nativas, sendo que os incentivos florestais têm sido
em geral, direcionados para reflorestamentos com espécies exóticas. Em médio e longo
prazo será inevitável a necessidade de um programa de utilização e reposição das
espécies nativas, com finalidades de proteção e de produção, especialmente para aquelas
produtoras de madeiras nobres e/ou outros produtos comerciais, como é o caso do pau-
rosa (Aniba rosaeodora Ducke). Programas desta natureza, entretanto, têm esbarrado
em vários entraves, especialmente quando se utilizam os métodos de propagação
tradicionais.
A baixa produção de sementes de pau-rosa aliada à elevada perda de viabilidade
das mesmas pela ação de pássaros, insetos e roedores, consistem numa limitação na
produção de mudas e conseqüentemente, dificulta ainda mais a recomposição das
populações naturais e estabelecimentos de plantios ex situ (OHASHI, ROSA e
SANTANA, 1995). Em pau-rosa, o desenvolvimento de protocolos de propagação
vegetativa baseados em micropropagação in vitro e por estaquia gerou resultados
insatisfatórios (HANDA, SAMPAIO e QUISEN, 2005). Neste contexto, o
desenvolvimento de técnicas biotecnológicas, como aquelas baseadas na embriogênese
somática, representa uma importante estratégia para a propagação em larga escala desta
espécie, visando a aplicação em futuros programas de conservação de germoplasma e
reflorestamento.
A biotecnologia aplicada a espécies arbóreas pode ser considerada uma
importante estratégia de desenvolvimento tecnológico, quando empregada em conjunto
aos programas de melhoramento genético convencional. Novas descobertas nas áreas de
cultura de tecidos vegetais, para clonagem florestal, técnicas de transformação genética,
biologia molecular, genômica e proteômica, podem fornecer uma extensa plataforma
para o melhoramento de características até pouco tempo impraticáveis via métodos de
melhoramento convencional.
As técnicas biotecnológicas podem promover excelentes oportunidades para a
compreensão da genômica funcional, por meio do estudo de genes associados com
características de alto valor agregado, e na transferência destes genes para espécies
arbóreas de importância sócio-econômicas. Neste contexto, as diferentes biotecnologias
podem garantir o desenvolvimento de genótipos aptos a atender a demanda mundial por
produtos florestais, enquanto preservam o meio ambiente para as futuras gerações.
Recentes pesquisas têm descrito uma gama de biotecnologias aplicadas a
espécies arbóreas, especialmente no que diz respeito à micropropagação e à inserção de
características de interesse através de técnicas de transformação genética (MERKLE e
NAIRN, 2005; NEHRA et al, 2005). A micropropagação é de grande importância na
propagação clonal de espécies arbóreas, sendo utilizada diretamente no “scale-up” de
espécies florestais de interesse para futuros programas de conservação de germoplasma,
propagação e reflorestamento e/ou para a obtenção de plantas geneticamente
modificadas. Dentre as técnicas de micropropagação aplicadas a espécies florestais, a
embriogênese somática é a mais utilizada (JAIN, GUPTA E NEWTON, 1995). A
embriogênese somática é um processo no qual através da técnica de cultivo in vitro,
células isoladas ou um pequeno grupo de células somáticas dão origem a embriões, num
processo morfogenético que se aproxima da sequência de eventos representativos da
embriogênese zigótica (TAUTORUS, FOWKE e DUNSTAN, 1991).
Em espécies florestais nativas, como é o caso do pau-rosa, a embriogênese
somática assume importância significativa para a propagação clonal, uma vez que os
métodos tradicionais de propagação vegetativa, como aqueles baseados na estaquia ou
de micropropagação in vitro por gemas vegetativas, são de difícil domínio e aplicação.
Uma das causas é a relação inversa entre a idade das plantas matrizes e a capacidade de
enraizamento das estacas, bem como os altos índices de contaminação endógenos. Neste
sentido, tem-se empregado técnicas para o rejuvenescimento, buscando um retardo ou
reversão do processo de maturação, visando a propagação vegetativa de árvores adultas
que possuam caracteres superiores. Contudo, o sucesso destas técnicas tem sido
limitado, e para várias espécies, como em Pinus sp e Eucalyptus sp. a propagação
vegetativa por meio da estaquia ou enxertia requer muito tempo e apresenta respostas
insatisfatórias (HÖGBERG et al, 1998).
A modulação da embriogênese somática em espécies arbóreas pode ser obtida em
um sistema tecnológico de dois ciclos básicos (Figura 1). Ciclo de indução e
multiplicação que se inicia com a indução de culturas embriogênicas em meios de
culturas contendo auxinas, principalmente o ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), e
compreende a fase de multiplicação, em meios contendo auxinas em baixas
concentrações. Com a retirada da auxina do meio de cultura, as culturas embriogênicas
são direcionadas a um ciclo de maturação. Como produtos deste ciclo são obtidos
embriões somáticos maduros passíveis de germinação in vitro e ex vitro ou podem
ainda, ser utilizados para produção de sementes sintéticas (GUERRA, TORRES e
TEIXEIRA, 1999; STEINER et al, 2008).
Figura 1. Modulação da embriogênese somática em espécies arbóreas, com dois ciclos, o de
indução e multiplicação e o de maturação.
Fonte: Steiner et al (2008).
Comparativamente às demais técnicas de micropropagação, a embriogênese
somática apresenta as seguintes vantagens: a) permite a obtenção de uma grande
quantidade de propágulos (embriões somáticos); b) o sistema possibilita um alto grau de
automatização, permitindo baixar os custos por unidade produzida, através da utilização
de biorreatores; c) os embriões somáticos podem ser produzidos de forma sincronizada,
com alto grau de uniformização e pureza genética; d) pode ser utilizada como uma
ferramenta integrada a programas de melhoramento genético florestal, em especial
quando associada à técnica de criopreservação (Figura 2), produzindo as sementes
sintéticas, além de serem apropriados para a criopreservação e produção de metabólitos
secundários (GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999; MERKLE e DEAN, 2000).
Figura 2. Estratégia para integração da embriogênese somática em um programa de
melhoramento genético clássico de espécies arbóreas.
Fonte: Steiner et al (2008).
Finalmente, salienta-se que a embriogênese somática tem contribuído para
garantir a propagação de espécies lenhosas de difícil propagação por métodos
convencionais, especialmente para aquelas espécies caracterizadas por um longo
período de maturação e baixa viabilidade de sementes como é o caso do pau-rosa. Esta
estratégia permite a utilização em programas de conservação de germoplasma, na
restauração de áreas degradadas, como também em programas de melhoramento pela
facilidade de aplicação de técnicas de transformação genética e de criopreservação
(VIANA, MAZZA e MANTELL, 1999). O estabelecimento de novas estratégias de
conservação das espécies florestais nativas exige também informações sobre a biologia
reprodutiva e a ecologia. As limitações impostas pela falta de estudos básicos sobre a
ontogênese dos embriões zigóticos, sistemas de cultura de embriões zigóticos,
embriogênese somática e micropropagação, nos seus aspectos fisiológicos e
bioquímicos complementados com a caracterização molecular, com freqüência tornam
os pouco eficazes os protocolos de regeneração in vitro utilizados.
Fases da embriogênese somática
Indução das culturas embriogênicas
Apesar dos inúmeros relatos já disponíveis sobre a indução e desenvolvimento
de embriões somáticos, ainda não existe um protocolo padrão para a indução de culturas
embriogênicas em plantas. A indução e controle da embriogênese somática são
dependentes da fonte de explante, do genótipo da planta doadora de explantes e do tipo
e concentração dos reguladores de crescimento adicionados ao meio de cultura
(GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999). Contudo, tem sido observado que o meio
condicionado de linhagens celulares embriogênicas e extratos de sementes, também
podem induzir e modular a embriogênese somática. Compostos ativos presentes no
meio condicionado e extratos de sementes incluem quitinases, proteínas
arabinogalactanas e lipoquitooligossacarideos (VON ARNOLD et al, 2002).
Em espécies arbóreas, a indução da embriogênse somática se dá normalmente
em meio de cultura suplementado com diferentes níveis e combinações dos reguladores
de crescimento auxina e citocinina, sacarose (30 – 90 mM) e de um agente geleificante
como o agar (0,7 - 0,9 % (p/v)), no escuro e sob temperatura constante. Contudo,
dependendo da espécie e mesmo do genótipo testado, as condições do meio de cultura
(estímulos químicos) e do ambiente (estímulos físicos) precisam ser aprimoradas para a
obtenção de altas taxas de indução (PULLMAN, CHOPRA, CHASE, 2006). No caso de
se utilizar com genótipos considerados elite, até mesmo a presença de reguladores de
crescimento pode ser omitida, tanto na indução como nas demais fases da embriogênese
somática (LELU et al, 1999; SILVEIRA et al, 2002).
Um dos pré-requisitos para a indução da embriogênese somática é a competência
das células presentes no explante para seguir a rota de desenvolvimento embrionário,
além da presença de estímulos químicos (reguladores de crescimento, carboidratos e
nitrogênio) e estímulos físicos (luminosidade e temperatura), que acionem a sinalização
para o desenvolvimento desta rota (GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999). Dentre
os estímulos químicos, a presença de reguladores de crescimento como a auxina 2,4-D
(ácido 2,4-diclorofenoxiacético) tem sido amplamente empregada para a indução de
culturas embriogênicas em espécies arbóreas (ASTARITA e GUERRA, 1998;
GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999; SILVEIRA et al, 2002; SANTA-
CATARINA, MACIEL e PEDROTTI, 2001; FLOH, SANTA-CATARINA e
SILVEIRA, 2007). O seu uso resulta na formação de agregados de células
embriogênicas a partir de células competentes para a rota de desenvolvimento
embrionário. Isto sugere que a suplementação com auxina é um fator essencial para que
células competentes expressem a sua totipotência endógena para o desenvolvimento de
embriões somáticos (KOMAMINE et al, 1992). Em Ocotea catharinensis, a
competência embriogênica de agregados celulares foram relacionados a expressão do
gene SERK (SANTA-CATARINA et al, 2004).
Apesar da possibilidade de se utilizar qualquer parte da planta como fonte de
explante para indução de culturas embriogênicas, a habilidade para diferenciar
estruturas embriogênicas é reduzida com o aumento da idade da planta doadora de
explante. Os primeiros sinais de organização de culturas embriogênicas começam
geralmente a partir da quarta semana de cultivo. Além da formação de culturas
embriogênicas, observa-se também a formação de culturas não-embriogênicas ou então
de tecidos com atividade meristemática que originam posteriormente gemas adventícias
(VON ARNOLD et al, 2002). Culturas embriogênicas e não-embriogênicas podem ser
facilmente diferenciadas pela aparência translúcida e mucilaginosa, característica de
culturas embriogênicas, e por características citoquímicas. Células que reagem
fortemente ao corante carmin acético e fracamente ao azul de Evans são consideradas
embriogenênicas e células com fraca reação ao primeiro e intermediária ao segundo são
células calosas, ou não-embriogênicas (GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999). Além
disso, análises bioquímicas das culturas embriogênicas e não-embriogênicas
demonstram o desenvolvimento de diferentes perfis protéicos (SILVEIRA et al, 2004;
SANTOS et al, 2008), no metabolismo de poliaminas (putrescina, espermidina e
espermina), e óxido nítrico (SILVEIRA et al, 2006; SANTA-CATARINA et al, 2007;
STEINER et al, 2007; FLOH, SANTA-CATARINA e SILVEIRA, 2007).
Algumas espécies da família Lauraceae já possuem protocolos estabelecidos
para indução de culturas embriogênicas como é o caso de Persea americana Mill.
(WITJAKSONO, LITZ e PLIEGO-ALFARO, 1999), Ocotea catharinensis (VIANA e
MANTELL, 1999) e Ocotea odorifera Mez. (SANTA-CATARINA, MACIEL e
PEDROTTI, 2001). Para A. rosaeodora já foi observada a indução de calo a partir de
embriões zigóticos germinados em meio MS (MURASHIGE e SKOOG, 1962)
suplementado com ácido naftaleno acético (ANA) e benzilaminopurina (BAP)
(HANDA, SAMPAIO e QUISEN, 2001). Até o presente momento, no Laboratório de
Biotecnologia Vegetal do Centro Universitário Nilton Lins foi possível a obtenção de
calos compactos e translúcidos possivelmente embriogênicos a partir de embriões
zigóticos maturos de A. rosaeodora cultivados em meio de cultura MS suplementado
com 100 μM de 2,4-D (Figura 3A). Resultados similares foram observados para outros
gêneros de Lauraceae, como O. catharinensis (VIANA e MANTELL, 1999) e O.
odorifera Mez. (SANTA-CATARINA, MACIEL e PEDROTTI, 2001). Assim como o
observado por Handa, Sampaio e Quisen (2005), a ausência ou o uso de baixas
concentrações de ácido indol acético (AIA) e 2,4-D (< 50 μM) resultam na germinação
in vitro dos embriões zigóticos de A. rosaeodora (Figura 3B).
Figura 3. Indução de calo e germinação in vitro de embriões zigóticos maturos de Aniba rosaeodora. A - Embrião zigótico com calo na região do hipocótilo após 60 dias de cultivo, em
meio de cultura MS suplementado com 100 µM de 2,4-D. seta: proliferação de tecido caloso
compacto e translúcido. B – Germinação in vitro de embrião zigótico cultivado em meio MS suplementado com 10 µM de 2,4-D e 0,15% (p/v) de carvão ativado.
Fonte: Handa et al (2005)
Manutenção das culturas embriogênicas
A fase de manutenção envolve a transferência das culturas embriogênicas para
um meio de cultura similar ao utilizado na fase de indução, em intervalos de 14 a 21
dias sob níveis constantes de reguladores de crescimento (BECWAR, NOLAND e
WANN, 1987). Por razões ainda desconhecidas, nem todas as culturas embriogênicas
induzidas são aptas a serem estabelecidas no meio de manutenção. Auxinas e
citocininas isoladas ou em combinação são normalmente utilizadas nesta fase, contudo
em concentrações inferiores às utilizadas durante a fase de indução (VON ARNOLD et
al, 2005). Durante a fase de manutenção, as culturas embriogênicas são formadas por
pró-embriões e agregados celulares desorganizados, sendo que a proporção entre ambas
as partes pode ser afetada durante o processo de repicagem das culturas. Isto pode levar
a formação de culturas predominantemente formadas por agregados celulares
desorganizados, e que levarão a baixa eficiência na fase seguinte (maturação) (VON
ARNOLD et al, 1995).
Durante a fase de multiplicação, ciclos repetitivos de proliferação celular podem
ser obtidos em meio semi-sólido ou então, em meio líquido através do estabelecimento
de suspensões celulares (GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999). As suspensões
celulares são iniciadas através da transferência de inóculos das culturas embriogênicas
para o meio de cultura líquido, que em geral são os mesmos utilizados para as culturas
semi-sólidas, mas sem a presença de agentes geleificantes, em frascos mantidos sob
agitação variando entre 115 a 150 rpm (TAUTORUS, FOWKE e DUNSTAN, 1991). A
densidade inicial do inóculo desempenha uma importante função no desenvolvimento
das suspensões celulares e a sua quantidade pode variar entre a espécie ou mesmo da
cultura embriogênica utilizada. Após o estabelecimento, as culturas são mantidas em
repicagens com intervalos de uma ou duas semanas, retirando-se alíquotas de 10 ml para
um frasco contendo um novo meio líquido. O uso de biorreatores e a possibilidade de
automação permitem nesta fase a produção massiva de embriões somáticos
geneticamente superiores a baixos custos de produção (VON ARNOLD et al, 2005) e
com menor taxa de contaminação (SILVEIRA et al, 2004).
Além disso, o uso de suspensões celulares é uma das abordagens disponíveis
para o estudo de parâmetros bioquímicos e fisiológicos das culturas embriogênicas
(SILVEIRA et al, 2004; SILVEIRA et al, 2006; SANTA-CATARINA et al, 2007;
STEINER et al, 2007), e para obtenção de compostos vegetais biologicamente ativos.
Métodos convencionais para incrementar a indução na produção destes compostos
incluem mudanças na composição nutricional do meio de cultura, condições físicas,
composição de reguladores de crescimento e uso de elicitores celulares. Neste contexto,
o estabelecimento de suspensões celulares pode ser uma opção valiosa para a produção
em larga escala de compostos vegetais biologicamente ativos e que são produzidos em
baixas quantidades na planta (VERPOORTE et al, 1994).
Maturação das culturas embriogênicas
A maturação é a fase mais importante no processo da embriogênese. Nesta fase
o embrião passa por significativas alterações morfológicas e bioquímicas, mediadas por
um preciso controle genético, resultando na deposição de substâncias de reserva,
repressão da germinação e aquisição da tolerância a dessecação (BEWLEY e BLACK,
1994; CAIRNEY e PULLMAN, 2007).
Na embriogênese somática, uma porção significante das culturas celulares
induzidas em diferentes espécies são incapazes de produzir embriões somáticos
maduros, os quais não germinam e não convertem em plântulas normais, ou ainda, o
desenvolvimento e a maturação de embriões são interrompidos pela germinação
precoce, conduzindo o desenvolvimento de plântulas pouco desenvolvidas
(FISCHEROVA et al, 2008). Grandes esforços têm sido centrados no sentido de
resolver estes problemas, especialmente suplementando o meio de cultura com agentes
promotores do processo de maturação. Estes agentes possibilitam a progressão no
desenvolvimento dos embriões somáticos para as etapas posteriores da embriogênese
somática, simulando os eventos da embriogênese zigótica (STASOLLA e YEUNG,
2003; STEINER et al, 2005; SILVEIRA et al, 2006; SANTA-CATARINA et al, 2007;
FISCHEROVA et al, 2008).
A adição de agentes promotores da maturação, como reguladores de
crescimento, agentes osmóticos e açúcares, ao meio de cultura exercem efeitos
fundamentais nos aspectos morfológicos, bioquímicos e moleculares. Estes promotores
estão relacionados com a redução de crescimento, pela inibição da divisão celular e na
sincronização da maturação dos embriões somáticos. A adição de promotores da
maturação está relacionada com alterações na morfologia dos embriões somáticos
(SVOBODOVÁ et al, 1999; RAMAROSANDRATANA et al, 2001), no padrão de
expressão de genes associados com o desenvolvimento do embrião e qualidade das
plântulas germinadas (CAIRNEY e PULLMAN, 2007; FISCHEROVA et al, 2008), e
no metabolismo endógeno de substâncias de reserva e hormônios vegetais
(SALAJOVA, SALAJ e KORMUTAK, 1999; SILVEIRA et al, 2006; SANTA-
CATARINA et al, 2007). Dentre os reguladores de crescimento vegetais, o ácido
abcsícico (ABA) é o mais utilizado para a maturação dos embriões somáticos em
espécies arbóreas. Este regulador adicionado ao meio de cultura estimula a maturação,
promove o desenvolvimento normal dos embriões e a sua conversão em plântulas em
várias espécies (STASOLLA e YEUNG, 2003; FISCHEROVA et al, 2008; VAHDATI
et al, 2008).
O mecanismo preciso pelo qual o ABA atua no desenvolvimento do embrião
ainda não está totalmente elucidado, mas é claro que este composto, direta ou
indiretamente, regula a síntese de proteínas de reserva e proteínas LEA (late
embryogenesis abundant), ambas sintetizadas no final do desenvolvimento embrionário
(BEWLEY e BLACK, 1994; GARELLO et al, 2000). As proteínas LEA são
classificadas em cinco grupos em virtude da similaridade de suas seqüências de
aminoácidos (BOUDET et al, 2006). Elas apresentam baixa complexidade, uma grande
afinidade com as moléculas de água atuando na proteção à desidratação do embrião
(BOUDET et al, 2006). As proteínas de reserva são utilizadas como fonte de nitrogênio
no desenvolvimento e germinação do embrião, sendo divididas em quatro classes de
acordo com a sua solubilidade: (a) albuminas, solúveis em água ou em tampão de pH
neutro, (b) globulinas, solúveis em soluções salinas e insolúveis em água, (c) glutelinas,
solúveis em ácido diluído ou em soluções alcalinas e (d) prolaminas, solúveis em
álcoois. Na embriogênese somática a síntese protéica é influenciada pela adição de
ABA e agentes osmóticos ao meio de cultura. Os efeitos destes compostos,
provavelmente, são aditivos, no qual o ABA induz a síntese protéica e o agente
osmótico regula esta síntese em nível pós-transcricional. Em Picea abies, uma espécie
arbórea, foi observado que a remoção do ABA do meio de maturação resulta em
embriões anormais e rápido decréscimo na expressão da proteína PaVP1, uma proteína
relacionada com a competência embriogênica, indicando que o ABA exógeno é
fundamental para a maturação e o desenvolvimento normal do embrião (FISCHEROVA
et al, 2008).
Além do ABA, recentemente, as poliaminas também tem sido utilizadas para
promover a evolução morfogenética e induzir a maturação de culturas embriogênicas
em diferentes espécies (NIEMI et al, 2002; SILVEIRA et al, 2006; SANTA-
CATARINA et al, 2007; STEINER et al, 2007; STEINER et al, 2008) sendo a
espermidina e espermina, de fundamental importância no processo de maturação,
enquanto a putrescina, estaria relacionada com o crescimento celular.
A utilização de agentes osmóticos no meio de maturação tem contribuído para a
otimização dos sistemas de embriogênese somática, sendo o polietilenoglicol (PEG) o
agente osmótico preferido em relação aos agentes plasmolisantes (sacarose, sais,
manitol), devido ao seu caráter não-plasmolisante (SVOBODOVÁ et al, 1999;
STASOLLA e YEUNG, 2003). O estresse osmótico induzido por PEG com peso
molecular maior que 4000 é que mais se aproxima do estresse hídrico observado em
embriões sujeitos a condições de desidratação. Isto ocorre porque moléculas maiores de
PEG não passam pela parede celular enquanto a água é retirada, levando a uma redução
na potencial de turgor e um potencial osmótico intracelular mais negativo. Em resumo,
o PEG não é internalizado na células vegetais e quando é adicionado ao meio de cultura
gera o estresse hídrico nas células (SVOBODOVÁ et al, 1999).
Embora alguns trabalhos mostrem que o PEG isoladamente promova a
maturação (SVOBODOVÁ et al, 1999), outros estudos demonstram que a combinação
do PEG com outros promotores de maturação, principalmente o ABA, e também
agentes osmóticos de baixo peso molecular, como a maltose, é essencial para o aumento
na qualidade e quantidade de embriões somáticos obtidos após a fase de maturação
(KLIMASZEWSKA e SMITH, 1997; STASOLLA e YEUNG, 2003).
Compostos de baixo peso molecular (sais inorgânicos, aminoácidos e
carboidratos) têm sido utilizados no meio de cultura com o objetivo de aumentar a
maturação dos embriões somáticos. Dentre as fontes de carboidrato destacam-se os
dissacarídeos maltose e sacarose. Alternativamente, os hexitóis como, por exemplo, o
manitol e sorbitol, também são empregados na maturação de culturas embriogênicas.
A maltose é o carboidrato mais amplamente utilizado na maturação de culturas
embriogênicas, e ao ser adicionado ao meio de cultura de maturação pode atuar como
fonte de carbono e como agente osmótico (SHOJI et al, 2006), sendo quebrado
disponibilizando glicose, que é prontamente assimilável pelas células vegetais
(SALAJOVA, SALAJ e KORMUTAK, 1999). Freqüentemente, a utilização de maltose
é preferida em relação aos outros tipos de açúcares por promover um aumento no
número e na qualidade de embriões somáticos, conforme observado para algumas
espécies arbóreas como Pinus elliottii e P. taeda (SALAJOVA, SALAJ e
KORMUTAK, 1999), Hevea brasiliensis (BLANC et al, 2002), Prunus avium
(REIDIBOYM-TALLEUX et al, 1999) e Araucaria angustifolia (STEINER et al,
2008). Adicionalmente, esta substância mantém a pressão osmótica do meio alta e
constante, por longo período, devido a sua quebra mais lenta em relação à sacarose
(SHOJI et al, 2006).
A sacarose como um agente osmótico de baixo peso molecular apresenta
também um efeito positivo na fase de maturação em várias espécies (LIPAVSKÁ e
KONRÁDOVA, 2004). A sacarose desempenha uma rota importante na estabilização
de membranas, sendo o mais freqüente carboidrato observado em resposta a estresse
(HOEKSTRA e GOLOVINA, 1999).
As respostas ao uso de promotores de maturação nas culturas embriogênicas de
arbóreas é espécie-dependente, e em muitos casos é genótipo-dependente dentro da
mesma espécie. Neste sentido, é necessária a experimentação para determinar tipo e
concentração de promotor de maturação a ser utilizado. Em geral, as concentrações de
ABA variam entre 10 e 150 µM e o uso de PEG e carboidratos variam entre 2 e 10%.
Ressalta-se que a combinação de ABA, PEG e maltose, em diferentes concentrações, já
foi utilizada com sucesso na maturação de embriões somáticos em vários sistemas
vegetais, como observado para A. angustifolia (SANTOS et al, 2002, STEINER et al,
2008), P. taeda (LI et al, 1998) e P. nigra (SALAJOVA, SALAJ e KORMUTAK,
1999), sugerindo que a combinação de múltiplos compostos é fundamental para
promover a maturação de embriões somáticos. Até o momento não foram estabelecidos
estudos durante a fase de maturação em culturas embriogênicas de A. rosaeodora, uma
vez que os trabalhos estão centrados na fase de indução e multiplicação de culturas
embriogênicas nesta espécie.
Germinação de embriões somáticos
O endosperma das sementes de angiospermas e o megametófito das
gimnospermas, ricos em nutrientes, e que circundam o embrião zigótico durante a
germinação está ausente nos embriões somáticos (CAIRNEY e PULLMAN, 2007).
Alguns estudos sobre as condições e nutrientes presentes nas estruturas associadas ao
desenvolvimento dos embriões zigóticos têm sido realizados com o objetivo de
determinar os requerimentos necessários ao meio de cultura durante a germinação dos
embriões somáticos (PULLMAN e BUCHANAN, 2003; KLIMASZEWSKA et al,
2004). Desta forma, a qualidade dos embriões somáticos tem sido determinada por meio
de estudos comparativos com os embriões zigóticos (PULLMAN et al, 2003a,
PULLMAN, CHOPRA e CHASE, 2006, SILVEIRA et al, 2008). Foi observado, por
exemplo, que o conteúdo de proteínas de reserva é em torno de 30-50% menor e os
teores de umidade são, em geral, mais elevados em embriões somáticos comparado aos
embriões zigóticos maduros (NEHRA et al, 2005).
Somente embriões somáticos maduros com morfologia normal e que
armazenaram suficiente conteúdo de substâncias de reserva adquirem tolerância à
dessecação desenvolvem-se em plântulas normais (VON ARNOLD et al, 2005). Para a
germinação de embriões somáticos produzidos a partir de diferentes sistemas
embriogênicos os pré-tratamentos de armazenamento a frio, desidratação e acido
giberélico (GA3), bem como a germinação de embriões somáticos em meio líquido têm
sido utilizados. A desidratação prévia de embriões somáticos aumentou as taxas de
germinação e o vigor das plântulas regeneradas em várias espécies, como Castanea
sativa (CORREDOIRA et al, 2008), O. catharinensis (VIANA, 1998), Carya illinoensis
(WETZSTEIN et al, 1996) e trigo (BLACK et al, 1999). O pré-tratamento de
desidratação é considerado um estímulo que desencadeia mecanismos de tolerância à
dessecação, por meio da redução de turgor e alterações no balanço osmótico dos
embriões somáticos. Esta condição provocaria rápidas mudanças bioquímicas, as quais
incluem a síntese de proteínas relacionadas com a tolerância à dessecação, promovendo
a maturação completa dos embriões somáticos (MALABADI e NATARAJA, 2006).
As condições de cultura in vitro especialmente durante a etapa de maturação
afetam a germinação do embrião e o crescimento da plântula, sugerindo que os
componentes do meio de cultura utilizado nesta fase têm relação direta com a obtenção
de embriões somáticos de alta qualidade e a subseqüente capacidade de germinação
(PULLMAN et al, 2003a). Em P. abies, o incremento no tempo de exposição dos
embriões somáticos ao ABA e à luz, reduziu a sua conversão em plântulas (HODBERG
et al, 2001). Para esta mesma espécie foram determinados critérios de seleção como, por
exemplo, o comprimento do epicótilo e presença de raízes laterais, os quais foram
considerados parâmetros importantes para a transferência e o desenvolvimento ex vitro
das plântulas. Desta forma, as plântulas somáticas selecionadas apresentaram
crescimento ex vitro similar ao desenvolvimento das zigóticas (HODBERG,
BOZHKOV e VON ARNOLD, 2003). Em Larix leptolepsis, a freqüência de
germinação dos embriões somáticos foi influenciada pela concentração do agente
gelificante presente no meio de maturação. Embriões somáticos provenientes do meio
contendo ABA (60 µM) e agente gelificante (0,6 e 0,8%), respectivamente,
apresentaram alta freqüência de germinação (33,4 e 35,5%) comparativamente ao meio
de cultura que continha baixas concentrações destes componentes (KIM e MOON,
2007).
Em geral, plântulas originadas a partir de embriões somáticos são menores
comparativamente àquelas provenientes de embriões zigóticos. Contudo em alguns
casos, auxinas e citocininas podem estimular a germinação e alterações no meio de
cultura basal, como a suplementação com glutamina e caseína hidrolisada, em geral são
necessárias (VON ARNOLD et al, 2002). São utilizados baixos conteúdos da
combinação de benzilaminopurina (BA) e/ou GA3, ou ainda meios de cultura isentos de
fitorreguladores. Contudo, para algumas espécies a variação somaclonal é um problema.
Em geral, o uso de 2,4-D e/ou uma prolongada submissão de culturas embriogênicas a
este fitorregulador em etapas iniciais da embriogênese são responsáveis pela indução de
variação genética e epigenética (VON ARNOLD et al, 2005). Assim, a conversão dos
embriões somáticos é considerada um passo crítico durante todo o processo de
embriogênese somática. Muitos sistemas biológicos mostram-se promissores para a
propagação clonal por meio da embriogênese somática, porém os embriões somáticos
apresentam, geralmente, baixas taxas de conversão em plântulas. Isto se deve ao fato de
que muitos sistemas embriogênicos, aparentemente, produzem embriões somáticos que
não estão completamente maduros, o que resulta em baixa germinação e crescimento
inicial lento das plântulas. Em soja, os embriões somáticos de seis cultivares
apresentaram uma freqüência de conversão de 27 a 45% (LI e GRABAU, 1996). Em
Acca sellowiana a maior taxa de conversão de embriões somáticos em plântulas foi
25,9% (CANGAHUALA-INOCENTE et al, 2007).
Existem duas estratégias importantes que podem melhorar a etapa de
germinação (PULLMAN et al, 2003b): (i) avançar no conhecimento das condições
ideais para o desenvolvimento dos embriões somáticos completamente maduros, e (ii)
melhorar o processo de germinação através de mudanças na composição do meio de
cultura e condições de cultivo in vitro. Ambos os processos precisam ser melhor
estudados, especialmente em espécies lenhosas. A compreensão dos eventos que
controlam a maturação e qualidade dos embriões somáticos poderá melhorar a
germinação e a conversão em plântulas e, igualmente, possibilitar a utilização da
tecnologia de sementes sintéticas como alternativa na propagação de espécies arbóreas.
Criopreservacão
A preservação dos recursos genéticos mundiais é atualmente o principal objetivo
dentre as estratégias de conservação da biodiversidade (COATES e DIXON, 2007). Nos
últimos anos, técnicas in vitro têm sido amplamente utilizadas para a conservação de
espécies ameaçadas, e esta é a provável tendência para outras espécies ameaçadas de
extinção (SARASAN et al, 2006). O valor potencial da criopreservação como uma
ferramenta para conservação de germoplama de plantas é enfatizada por diversos
autores (ENGELMANN, 1997; STACEY, LYNCH e BENSON, 1999; ENGELMANN,
2004; GONZALEZ-ARNAO et al, 2008). A criopreservação é considerada uma opção
segura e de baixo custo para a conservação de germoplasma em longo prazo de
materiais vegetais com atributos únicos ou específicos, incluindo as espécies que
apresentam sementes recalcitrantes ou aquelas que são propagadas vegetativamente
(ENGELMANN, 2004). Esta técnica utiliza espaço físico mínimo e requerimentos de
manutenção que não causam alterações genéticas no material vegetal (SAKAI, 1997).
Além disso, a criopreservação é uma estratégia ex situ de conservar a diversidade alélica
existente, permitindo a sua futura utilização (PANIS, 2006).
Os principais progressos realizados em criobiologia ocorreram durante a
segunda metade do século passado, e muitos destes progressos resultaram de estudos
empíricos. Contudo, nos últimos anos, os avanços têm sido estimulados por meio do
desenvolvimento da fundamentação teórica sobre a criopreservação (PANIS, 2006). A
criopreservação pode ser definida como a conservação de material biológico em
nitrogênio liquido (-196º C), ou em fase de vapor (-150º C) (LAMBARDI et al, 2001), e
permite a manutenção da viabilidade celular pela paralisação do seu metabolismo em
temperaturas ultra-baixas, sem que ocorra dano irreversível aos tecidos (ENGELMAN,
2004). Protocolos de criopreservação incluem o emprego de componentes criogênicos
(agentes crioprotetores e baixa temperatura) e não criogênicos (tratamento pré e pós-
armazenamento dos explantes). Existem duas estratégias principais de criopreservação,
as quais diferem em seus mecanismos físicos de atuação: clássicas e convencionais e
aquelas baseadas no processo de vitrificação. Há também protocolos que incluem o
encapsulamento do explante, incluindo agentes crioprotetores e posterior desidratação
antes do congelamento (DING et al, 2008).
O estado da água e o equilíbrio osmótico relacionados aos movimentos de
entrada e saída de água da célula são parâmetros de particular importância para
criopreservação (MAZUR, 2004). O principal desafio do processo de criopreservação é
atingir o congelamento sem que ocorra a formação de cristais de gelo intracelular
(SANTOS, 2000). A formação de cristais de gelo causaria a ruptura das membranas e
estas perderiam a função de semi-permeabilidade e compartimentalização, culminando
em colapso celular e danos irreversíveis (ENGELMANN, 1997). Os principais estresses
as quais as células são submetidas nestas condições correspondem ao estresse osmótico
ou de desidratação, estresse oxidativo e as alterações no pH intracelular. A desidratação
resultaria em aumento da concentração de solutos, interrupções de trocas iônicas. Por
sua vez o estresse oxidativo afeta os arranjos metabólicos, aumento da produção de
radicais livres e oxidação de lipídios, influenciando diretamente as membranas celulares
(DUMET e BENSON, 2000).
Considerando a superação dos parâmetros acima citados, o processo de
criopreservação é, em princípio, aplicável a quaisquer tecidos que tenham capacidade de
regeneração. Tal processo foi utilizado com sucesso em diversas espécies vegetais, por
meio do emprego de culturas embriogênicas, ápices, gemas axilares, embriões
somáticos e zigóticos (ENGELMANN, 1997; SANTOS, 2000). Estas fontes de
explantes permitem diversas possibilidades de aplicação desta técnica (SARASAN et al,
2006). Além disso, a criopreservação associada à tecnica de embriogênese somática
permite a integração de um sistema de conservação in situ e ex situ. Neste caso, os
materiais que são utilizados em programas de melhoramento podem ser re-introduzidos
em áreas degradadas, assim como os materiais provenientes de remanescentes podem
servir como fonte de diversidade genética (GUERRA et al, 2008).
Para espécies lenhosas a utilização da criopreservação foi reportada utilizando
culturas embriogênicas de Mangifera indica (WU et al, 2007), A. angustifolia
(DEMARCHI, 2003), Cedrus libani (KHURI et al, 2000), e sementes e meristemas
apicais de Cedrella fissilis (NUNES et al, 2003). Em palmeiras, a utilização da
criopreservação foi reportada utilizando meristemas apicais de Phoenix dactylifera
(BAGNIOL e ENGELMANN, 1991), plúmula de Cocos nucifera (HORNUNG,
DOMAS e LYNCH, 2001), embriões somáticos de Elaeis guineensis (ENGELMANN
et al, 1994) e embriões zigóticos de Bactrys gasipaes (STEINMACHER et al, 2007).
O sucesso do protocolo de criopreservação depende da tolerância e sensibilidade
do material vegetal em suportar o acúmulo de estresse, durante as sucessivas etapas do
processo de criopreservação. Ao escolher o protocolo e o tratamento crioprotetor é
importante considerar a origem do germoplasma (temperado ou tropical), o estado
fisiológico (dormente ou ativo), a tolerância ao estresse abiótico (frio e dessecação) bem
como a operacionalização que incluem fatores técnicos e práticos (REED,
SCHUMACHER e DUMET, 2005).
2.6 Sementes sintéticas
Técnicas avançadas de cultura de tecidos vegetais e suas aplicações para a
micropropagação de plantas obtiveram significativos progressos nas últimas duas
décadas para uma ampla diversidade de espécies. Entre estes avanços, a automatização
por meio, principalmente, do emprego de sistemas de imersão temporária (SITs),
permitiu o ´scale-up` da micropropagação massal (UTOMO et al, 2008), quando
associada à técnica de embriogênese somática e de sementes sintéticas. O ciclo de
produção de culturas embriogênicas por meio do emprego de suspensões celulares é
relativamente curto e pode ser utilizado como uma alternativa à produção de sementes,
especialmente em espécies que apresentam longo ciclo reprodutivo ou com sementes
recalcitrantes (AQUEA et al, 2008).
Uma aplicação importante dos embriões somáticos é seu uso na produção de
sementes sintéticas (MERKLE, PARROTT e WILLIAMS, 1995), as quais promovem a
rápida multiplicação de plantas via embriogênese somática (UTOMO et al, 2008).
Sementes sintéticas ou artificiais são análogas às sementes zigóticas e consistem de um
embrião circundado por uma cápsula de hidrogel biodegradável. Esta cápsula serve de
proteção ao embrião somático contra danos mecânicos durante a armazenagem,
transporte e semeadura (ONISHI, SAKAMOTO e HIROSAWA, 1994), podendo agir
também como endosperma artificial quando for constituída, ademais do hidrogel, de
fontes de carbono, nutrientes minerais, vitaminas e fitorreguladores (MALABADI e
VAN STADEN, 2005). O alginato de sódio é o principal composto empregado para o
encapsulamento em virtude de suas propriedades gelificantes, baixo custo, facilidade de
uso e da ausência de toxicidade (GUERRA, TORRES e TEIXEIRA, 1999).
Vários autores (REDENBAUGH, 1990; GRAY et al, 1995; GUERRA,
TORRES e TEIXEIRA, 1999) apontam que as principais vantagens desta tecnologia
estão associadas aos seguintes aspectos: a) baixo custo considerando os grandes
volumes produzidos; b) permitir a automatização associada ao emprego de biorreatores;
c) permitir o armazenamento; d) permitir a semeadura direta a campo; e) diminuição os
custos de produção uma vez que podem ser eliminadas as etapas realizadas em
estruturas de sementeira e viveiros.
Dentre os métodos para a produção de sementes sintéticas, o mais empregado é a
geleificação ionotrópica de alginato de sódio por íons cálcio. Esta tecnologia foi
desenvolvida inicialmente por Redenbaugh et al (1986), os quais verificaram que os
hidrogéis formados pelo alginato de sódio ou de potássio e complexados em cloreto de
cálcio podiam ser empregados para a confecção das cápsulas. A partir disto surgiram
inúmeros estudos com esta tecnologia, incluindo o controle da maturação dos embriões
zigóticos e somáticos, a produções de embriões em biorreatores, o encapsulamento e a
desidratação dos embriões somáticos (GRAY, STEPAN-SARKISSIAN e FOWLER,
1987).
A definição original de semente sintética foi formulada a partir do uso de um
único embrião somático encapsulado, o qual poderia ser manipulado como uma semente
zigótica, permitindo, desta forma, o transporte, o armazenamento e a semeadura em
ambiente in vivo ou ex vitro e, finalmente, desenvolver em uma planta completa ou
“conversão". No entanto, esta definição limitou-se a obtenção de semente sintética
associada ao uso de um embrião somático, isto é, um propágulo bipolar regenerado a
partir da embriogênese somática que poderia ser contida em uma cápsula, que permitiria
a manipulação e a semeadura (STANDARDI e PICCIONI, 1998).
A tecnologia de sementes sintéticas passou a ser empregada como uma
ferramenta chave no processo de multiplicação massal de plantas e tem recebido
considerável atenção com base na sua eficácia e na redução de custos do sistema de
propagação clonal (PATTNAIK e CHAND, 2000). A consolidação de protocolos onde
os fatores de economia e tempo estão diretamente ligados ao sucesso da produção em
escala de propágulos (REDENBAUGH et al, 1986, GUERRA et al, 2001). Os mais bem
sucedidos casos de produção de semente sintética e regeneração de plantas já foram
documentados para as mais diversas espécies de cereais, hortaliças, frutíferas,
ornamentais, aromáticas e coníferas (PATTNAIK e CHAND, 2000).
Várias inovações têm sido aplicadas à técnica de encapsulamento, tais como o
estabelecimento do sistema de encapsulamento em cápsulas farmacêuticas (DUPUIS et
al, 1994). Patel et al (2000) sugeriram outra inovação que consiste em suspender o
material vegetal em solução de carboximetilcelulose e complexar em CaCl2 sobre uma
solução de alginato de sódio em agitação, resultando na formação de uma cápsula com
matriz interna líquida (Figura 4). Esta técnica foi testada em cenoura, por estes mesmos
autores, e resultou em 100% de emissão de radícula das unidades encapsuladas.
Figura 4. Representação esquemática para a confecção de sementes sintéticas e unidades
encapsuláveis por meio de diferentes sistemas: (1) alginato de sódio complexado em CaCl2 (ONISHI et al, 1994); (2) cápsula do tipo dupla camada, interna de carboximetilcelulose ou
amido complexandos de “dentro para fora” em CaCl2 e camada externa de alginato de cálcio
(PATEL et al, 2000) e; (3) cápsulas farmacêuticas (DUPUIS et al, 1994) com matriz de alginato ou amido.
Fonte: Patel et al (2000)
Unidades encapsuláveis
A técnica de unidade encapsulável (UE) foi inicialmente reportada por Onishi
Mashiko e Okamoto (1992) a partir de embriões de aipo (Apium graveolens)
encapsulados, os quais mantiveram a habilidade de conversão em condições não
estéreis. Sakamoto, Onishi e Hirosawa (1995) ampliou os limites da aplicação desta
tecnologia ao propor a utilização de meristemas e gemas apicais caulinares como UE
em uma matriz de gelificação capazes de serem convertidas em plântulas normais.
Para se enquadrar no conceito de UE estes propágulos devem apresentar as
seguintes características gerais: a) o tamanho da unidade deve estar dentro dos limites
do encapsulamento (até 8 mm) e deve ser livre de calo, ou tecido do explante materno;
b) o excesso de crescimento dos brotos deve ser suprimido até a formação endógena de
raízes adventícias; e c) devem possuir uma vigorosa habilidade de conversão em
condições ambientais normais; e d) apresentar tolerância contra o estresse na
manipulação dos propágulos (ONISHI, MASHIKO e OKAMOTO, 1992;
SAKAMOTO, ONISHI e HIROSAWA, 1995). Uma das vantagens desta técnica é a
eliminação de etapas da cultura in vitro por possibilitar o enraizamento em condições ex
vitro (SINGH et al, 2006). Desta forma, é possível a aclimatização e o crescimento
inicial diretamente em substratos ou com adaptações para suportar as condições de
campo e, principalmente, permitir o armazenamento e transporte dos propágulos com
alta viabilidade (STANDARDI e PICCIONI, 1998).
O uso de propágulos unipolares derivados das culturas in vitro, especialmente
em espécies micropropagadas por outras rotas morfogenéticas que não a embriogênese
somática foi abordada por STANDARDI e PICCIONI (1998). Para estes autores, três
tipos de propágulos podem ser utilizados: 1) propágulo unipolar natural, que são os
microbulbos, microtubérculos, microbrotos e rizomas; 2) segmentos de brotos, ou
micro-estacas, que são os segmentos nodais contendo a gema apical ou axilar e; 3)
propágulos diferenciais, que são os tecidos e órgãos imaturos, tais como os
meristemóides, agregados de células e primórdios de gemas. Todas estas estruturas,
também podem ser consideradas como UE quando apresenta tamanho adequado para
manipulação, viabilidade de conservação e de conversão em plântula completa.
No encapsulamento de brotações de bananeira (Musa sp.) obteve-se 100% de
conversão em plântulas (GANAPATHI et al, 1992). Contudo, esta conversão se deu em
condições in vitro e na presença de meio de cultura indutivo, aspectos estes que também
foram observados em microbrotos encapsulados de bananeira cv. Grand Naine
(SANDÓVAL-YUGAR, 2002). A tecnologia de UE a partir de microbrotos de
bromélias e os estudos dos efeitos da adição de fitorreguladores e de carvão ativado na
sobrevivência ex vitro das UE foram testados por Rech-Filho (2004) (Figura 5). A
formação de UE permitiu com sucesso o estabelecimento ex vitro e promoveu um
incremento no número de folhas nas plântulas aclimatizadas de bromélia, quando
comparadas com o uso de microbrotos não encapsulados.
Figura 5. Representação esquemática do protocolo de indução e confecção de unidades
encapsuláveis de plantas desenvolvidas no Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e
Genética Vegetal/CCA/UFSC.
Fonte: Rech-Filho (2004)
Considerações finais
Durante os últimos anos, o aumento no consumo de madeira e produtos
derivados de espécies florestais tem exigido cada vez mais do setor florestal um
aumento de produtividade. Contudo, este aumento de produtividade não pode estar mais
associado com a exploração de áreas contendo populações nativas ou então utilizando
espécies em risco de extinção. O uso de ferramentas biotecnológicas como a
embriogênese somática (ES) possibilitará ao setor florestal o aumento de produtividade
necessário a atender as demandas do mercado, além de possibilitar o uso sustentável e a
conservação ex situ de espécies ameaçadas e/ou em risco de extinção. Apesar de
incipientes, os trabalhos já realizados com A. rosaeodora demonstram um grande
potencial para aplicação da tecnologia de ES nesta espécie. Neste sentido, os protocolos
já estabelecidos para ES em outras espécies da família Lauraceae podem ser utilizados
como ponto de partida para o desenvolvimento de um protocolo eficiente para
micropropagação e conservação ex situ de genótipos elite de A. rosaeodora.
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